短波Ad Hoc路由协议仿真与性能分析

张琳娜，杨瑞娟，崔晓梦，廖建建

(空军预警学院，湖北武汉430019)

0 引言

短波自组网(HF Ad Hoc)是以短波信道作为物理媒介，一组带有无线收发装置的移动节点组成的多跳的临时性自治系统，具有成本低、机动灵活、使用方便和抗毁性高等特点，适用于中远距离战场通信。同时也存在着通信质量差、拓扑结构变化快、存在单向信道、有限的传输带宽等一些缺点。人们对它的研究是源于军事上的需求，20世纪80年代，美军设计了一种高抗毁性的短波自组网——高频特遣部队内部系统(HF-ITF)［1］，这是最早的短波组网系统。

美国军标 MIL-STD-188-141B［2］定义了几种不同的路由协议，未对路由的驱动方式、选径标准和具体算法等一系列问题进行深入的论述，国内外也很少有在这一领域的研究，可参考的文献非常少。文献［3］结合了美军标定义的链路质量矩阵，提出了一种基于层次分析的路径选择算法的源动态路由协议。文献［4］提出了一种可靠多播中反馈信息的信道争用方式，使短波通信实现可靠多播传输。但都没有对短波Ad Hoc路由协议进行系统的总结与分析。

下面主要从短波自组网的网络特点出发，利用OPNET仿真软件，对现有的MANET仿真模型进行修改，使其适合于短波通信。在MANET的路由协议中选取3种典型的路由协议在短波仿真平台中进行仿真，最后对结果进行性能分析。

1 自组网路由协议

发现并维护从源节点到目的节点的路由，将数据从源节点发送到目的节点是路由协议的主要功能。在自组网中，路由协议性能的好坏直接影响到整个网络性能。到目前为止，针对自组网已经开发出许多基于各种不同策略的路由协议，按照路由建立的方式不同，可以分为［5～7］:主动式路由协议、反应式路由协议及混和路由协议。

在这些协议中，OLSR协议、DSR协议和AODV(OLSR:Optimized Link State Routing，DSR:Dynamic Source Routing，AODV:Ad Hoc on Demand Distance Vector)协议是自组网使用较多的路由协议。着重对这3种路由协议在短波自组网中的性能进行对比分析。

1.1 OLSR路由协议

OLSR［8］路由协议是一种主动式、表驱动的路由协议，该协议中的每个节点从其邻节点中选取一组节点作为“多点中继(MultiPoint Relay，MPR)”，只有被选作MPR的节点才能转发控制信息，并将控制信息广播给整个网络。因此，MPR可以高效地控制消息泛洪，OLSR正是利用了这种机制，减少了所要传输的信息数量，避免了广播风暴的形成。

1.2 DSR路由协议

DSR路由协议是最早出现的利用反应式路由思想设计的路由协议，该协议中使用了“源路由”，即每个发送的数据分组的分组头中都携带着一条完整的、按序排列的节点序列，包含了完整的收发节点列表。在DSR路由协议只需要维护与之通信的节点路由，不存在任何形式的周期性分组，减少了网络开销，但缺点是每个数据分组都携带路由信息，增加了分组长度。

1.3 AODV路由协议

AODV路由协议是反应式路由协议的一种，采用了“目的节点序列号”来防止缓存中的路由信息过期及环路的产生，并吸取了DSR中路由维护的思想。不同的是，AODV协议的数据报头不再需要携带完整的路径信息，有效地减少了报头对信道的占用，提高了系统的效率。AODV也存在着不足之处，它限定了网络中的传输信道必须为双向信道，并且路由表仅维护一条到指定目节点的路由，当路由失效时，需要立即发起请求过程。

2 OPNET短波网络建模

2.1 短波节点模型

由于OPNET Modeler所自带的无线收发信机模型中反映传输特性的管道阶段并不符合短波信道特性，所以需要对其进行修改使其适合于短波信道仿真。主要对3个管道阶段进行了修改，使其符合短波信道的基本特性。

2.1.1 闭合阶段

闭合阶段［9］是管道的第3个阶段，由无线发射机“closure model”属性描述，用来确定传输范围是否在可通信范围内。在OPNET中默认的闭合阶段是基于视距通信的。因此，短波通信需要对其进行修改。短波通信一个典型的特点是有寂静区存在，寂静区为从地波所能到达的最远距离到天波所能到达的最近距离的这段范围。所以在修改闭合阶段时必须把寂静区考虑在内。因此，设定在收发节点距离在30～100 km不可通信。

2.1.2 传播时延阶段

传播时延阶段［9］是无线收发机管道的第6个阶段，由无线发射机的“Propdel Model”属性表示，用来计算数据分组在无线信道上的传播时间。在OPNET中对传播时延的设计是基于视距通信的，并将收发节点间的直线距离设为通信距离。然而在短波通信中有信号既可以通过地波传播，也可以通过天波传播，故需要修改传输距离的计算方法。又因为短波信号传播时延的计算方法与OPNET默认的传播时延的计算方法不同，也需要对其进行修改。

①地波传输距离。在传输距离较近时，短波可以像长、中波一样靠地波进行短距离传播。利用地波传播形式的信号，频率范围大约是1.5～5 MHz。地波的衰减随着频率的升高而增大，所以即使用1 000 W的发射机，陆上传播距离也仅为100 km左右。根据实际经验，选取30 km为地波传输距离。

②计算传播时延。在通信距离小于等于30 km时，短波信号直线传输，传播时延的计算方法为:

式中，ΔT为传播时延;D为无线收发节点之间的距离;C为光的传播速度。

在通信距离大于100 km时，短波信号通过电离层的D层、E层、F1层、F2层分别反射形成多径延时，多径延时是传播时延的一部分。多径延时和通信距离有密切的关系，本文在仿真中固定选取传播距离600 km的多径延时为6 ms。则短波通信的传播时延的计算方法为:

式中，h为反射点高度。由于F2层和其他层不一样，在日落后并没有完全消失，仍保持有剩余电离，所以选取F2层为反射层;Δτ为多径时延。

2.1.3 接收功率阶段

接收功率阶段［9］是无线收发机的第8个阶段，由无线接收机的“Power Model”属性描述，该阶段的目的是计算到达数据包信号的接收功率。

在该阶段中，OPNET默认的路径传输损耗为自由空间传输损耗，并不符合短波信道的特性，因此需要对该管道进行修改。短波信道路径损耗的计算公式［10］为:

式中，Lp0为自由空间传播损耗;La为电离层吸收损耗;Lg为多跳地面反射损耗;Yp为额外系统损耗。

针对设计好的模型进行了实验，实验结果证明该模型能反映短波通信的基本特性。

2.2 网络模型

利用建立好的短波节点搭建的短波Ad Hoc网络节点分布如图1所示。

图1 HF Ad Hoc网络模型

在2个环境下进行分析:仿真环境1:节点固定;仿真环境2:节点以20 m/s速度自由移动。仿真参数值如表1所示。

表1 仿真参数值

3 仿真结果分析

在仿真中设定了不同的种子数，每个路由仿真5次，最后取其平均值而得。选取以下统计量:网络时延、路由开销、网络吞吐量和数据丢失量。

3.1 固定节点仿真结果

由图2可以看出，OLSR路由协议的网络时延小于AODV和DSR路由协议，这是由于OLSR先应式路由的特点所决定的。而AODV和DSR都是反映式路由，所以时延比OLSR大很多。

图2 固定节点网络时延

由图3和图4可以发现，OLSR协议的网络吞吐量最大，路由开销却远远小于AODV协议并略高DSR协议的路由开销。

图3 固定节点网络吞吐量

图4 固定节点路由开销

这是由于AODV协议在需要通信时，在源节点发出RREQ的每个中间节点都要不停地广播RREQ直到找到目的节点为止，所以产生很大的开销。而OLSR只对被选为MRP的节点进行广播，所以小于AODV协议的路由开销。DSR不用周期性地广播路由信息，所以路由开销最小。

由图5可以看出，OLSR协议的数据丢失量远小于AODV和DSR两种路由协议所带来的数据丢失量，这是由于在OLSR协议中MPR优化从2个方面降低控制开销:①因为OLSR路由协议只需要广播MPR选择器，所以广播拓扑的分组小得多;②由于只有MPR节点转发广播分组，极大程度上降低了信息泛洪。OLSR的这些特征提供了更多的带宽传输数据，进一步减轻了拥塞。所以，其数据丢失量最小。

图5 固定节点数据丢失量

3.2 移动节点仿真结果

移动节点的仿真结果图与固定节点差别不大，只对关键数据求均值如表2所示。

表2 均值数据对比

比较得出，3种路由协议在25个节点的仿真环境下，移动和固定的性能差别不大，只有AODV路由协议中的数据丢失量有小幅度的增加，吞吐量降低。这是因为，在3.6×1011m2的通信范围内，节点移动速度为20 m/s并不会产生太大的网络变化。但是当节点移动产生链路中断时，AODV路由协议需要调用新的路由寻找过程，及时对路由进行更新，并广播到所有的节点，这使得网络的数据丢失量增大，吞吐量下降。而DSR路由协议由于在缓存中存储多条路由，在中断发生时，仍可以选择源路由中的备用路由进行通信。OLSR路由协议为先验式路由，各节点始终维护着一个完整的路由表，所以不会产生额外的控制传输。从整体性能来看，在节点移动的仿真环境下，OLSR路由的性能仍然优于AODV与DSR。

4 结束语

在短波通信中，有限的传输带宽决定了路由协议在保证通信质量的前提下选择路由开销小的路由协议，从对3种路由的仿真结果可以看出，DSR路由协议的路由开销最小，但是DSR路由协议带来的网络吞吐量最低，数据的丢失率也较高，无法较好地保持通信质量。AODV路由协议的整体性能都比DSR和OLSR的性能差。OLSR路由的开销虽高于DSR，但是带来的网络吞吐量最大，时延最小，数据丢失率同样也最小。由仿真结果可知，OLSR表驱动路由协议更适合短波Ad Hoc网络使用。下一步，可以可以在降低协议路由开销进行研究。

［1］张敬堂，赵泽兵，瞿 燕，等.现代通信技术［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［2］MIL-STD-188-141B.APPENDIX D HF Radio Network［S］，1999.

［3］王翠柏，段田东，郭 红.基于层次分析法的短波网络源动态路由协议［J］.计算机工程，2010，36(24):104 －106.

［4］景 渊，曹 鹏，黄国策，等.短波数据通信可靠多播协议研究［J］.计算机工程与应用，2010，46(28):122 －131.

［5］ROYER E M，TOH C K.A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks ［J］.IEEE Personal Communications Magazine，1999，6(2):46 －55.

［6］ABOLHASAN M，WYSOCKI T，DUTKIEWICZ E.A Review of Routing Protocols for Mobile Ad Hoc Networks［J］.Ad Hoc Networks，2004，1(2):1 －22.

［7］TANG J，XUE G，ZHANG W.Reliable Routing in Mobile Ad Hoc Networks Based on Mobility Prediction［J］.IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems.2004，25(27):466 －474.

［8］陈林星，曾 曦，曹 毅.移动 Ad Hoc网络［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［9］李 馨，叶 明.OPNET Modeler网络建模与仿真［M］.西安:电子科技大学出版社，2006.

［10］沈琪琪，朱德生.短波通信［M］.西安:电子科技大学出版社，1989.